李國(guó)文，楊文琦

（湖南百舸水利建設(shè)股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

1 工程概述

洞庭湖區(qū)河網(wǎng)密布，是長(zhǎng)江水系的重要通道，也是全國(guó)防汛抗洪的重點(diǎn)地區(qū)，加強(qiáng)洞庭湖區(qū)水利堤防工程的建設(shè)與管理，是落實(shí)國(guó)家“三農(nóng)”政策、提高國(guó)家糧食儲(chǔ)備的重要舉措，更是人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全的有效保障[1]。共雙茶垸蓄洪工程分洪閘工程位于共雙茶垸南洞庭湖堤段樁號(hào)0+000～1+000 之間，主要建筑物包括閘室、岸墩、上下游消能設(shè)施和兩岸連接堤段。蓄洪容積約21.00 億m3，最大分洪流量為3 630 m3，分洪設(shè)計(jì)水位為33.10 m。該工程是洞庭湖三垸分蓄洪工程的重要組成部分，建成后將與原有湖堤一起構(gòu)成一道有效的防洪屏障，確保蓄洪區(qū)內(nèi)群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)有利于緩解城陵磯地區(qū)的防洪緊張局面[2]。

分洪閘通過左、右岸兩側(cè)連接堤與原有湖堤連接，連接堤與原堤防等級(jí)相同，均為3 級(jí)。其中，左岸連接堤段長(zhǎng)178.0 m，右岸連接堤段長(zhǎng)182.0 m，堤頂寬8.5 m，堤頂高程36.0 m，原始地面標(biāo)高26～28 m，連接堤需填土高度8～10 m。工程區(qū)挖方主要為粉質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，由于工程附近可利用粘土來源短缺，需最大限度地利用開挖土，對(duì)其進(jìn)行水泥土改良后作為填方，以滿足設(shè)計(jì)壓實(shí)度0.93 的要求，該項(xiàng)工作成為連接堤填筑的控制重點(diǎn)。

2 地質(zhì)條件

共雙茶垸分洪閘工程位于共雙茶蓄洪垸內(nèi)，四面環(huán)水。垸內(nèi)河湖水系密布，溝渠縱橫交錯(cuò)，地下水位較高，該區(qū)范圍內(nèi)土質(zhì)以河流沖積物和湖積物為主。根據(jù)地質(zhì)勘察，閘址區(qū)地層巖性由上到下分別為人工堆積層、全新統(tǒng)沖湖積堆積、上更新統(tǒng)沖積堆積。人工堆積層主要為防洪大堤、垸內(nèi)隔堤堤身填筑土和人工吹填土等，以灰黃、黃褐色粉質(zhì)黏土、砂壤土為主；全新統(tǒng)沖湖積堆積層上部為厚1～2 m 的可塑狀粉質(zhì)黏土，中部為軟塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，夾薄層粉細(xì)砂；下部為軟塑～可塑狀的粉質(zhì)黏土；上更新統(tǒng)沖積堆積上部為可塑～硬塑狀粉質(zhì)黏土，夾砂壤土、礫質(zhì)土，中部為粉細(xì)砂，下部為砂卵（礫）石。

共雙茶垸蓄洪工程分洪閘工程連接堤填筑土料一部分來源于現(xiàn)場(chǎng)閘室段、消力池段表層1～2 m 范圍內(nèi)開挖土料，另一部分來源于原有老堤拆除土料。取現(xiàn)場(chǎng)開挖土料進(jìn)行了顆粒分析試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)等土工基礎(chǔ)試驗(yàn)，所得土樣基本性質(zhì)和粒組含量分析見表1 和表2。

表1 現(xiàn)場(chǎng)土料基本特性

表2 粒組含量分析

由試驗(yàn)結(jié)果可知，原狀土塑性指數(shù)Ip≥0.73（WL-20）=9.9，液限WL<50%，根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》[3]，定名為低液限粉質(zhì)黏土，該類土液塑限較低，水穩(wěn)性較差[4]。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)土料天然含水率大多在20%～30%之間，均大于其最優(yōu)含水率。當(dāng)土料處于高含水率時(shí)，其強(qiáng)度低，且壓實(shí)較難，若施工技術(shù)措施及施工參數(shù)選取不合理，很難滿足設(shè)計(jì)壓實(shí)度要求。

為了最大限度利用現(xiàn)場(chǎng)開挖土料，采用在原有土料中摻入水泥拌和的方式進(jìn)行土體改良，并在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行碾壓試驗(yàn)對(duì)水泥改良效果進(jìn)行檢測(cè)分析。

3 現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)及結(jié)果分析

為確保改良水泥土現(xiàn)場(chǎng)施工滿足設(shè)計(jì)要求，正式施工之前在右岸連接堤劃分試驗(yàn)區(qū)塊進(jìn)行碾壓試驗(yàn)，計(jì)劃通過試驗(yàn)選取合理的施工參數(shù)，如水泥摻量、碾壓遍數(shù)等。

3.1 試驗(yàn)機(jī)械

現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)由旋耕機(jī)、挖機(jī)和壓路機(jī)配合進(jìn)行，碾壓行車速度控制在2 km/h。碾壓完成后，利用環(huán)刀取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)碾壓土樣的干密度進(jìn)行測(cè)量。

3.2 場(chǎng)地布置及試驗(yàn)參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地位于右岸連接堤堤基范圍內(nèi)。對(duì)堤基進(jìn)行清理平整并壓實(shí)后，將現(xiàn)場(chǎng)劃分為10 m×15 m 的單獨(dú)試驗(yàn)小塊，并按照設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

試驗(yàn)用水泥為M32.5 水泥。為進(jìn)行對(duì)比，選取5%、7%和9%三種水泥摻量進(jìn)行試驗(yàn)；根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，水泥土鋪料厚度為35 cm；分別碾壓3 遍、4 遍和5 遍時(shí)，在相應(yīng)填筑面上取樣檢測(cè)。

3.3 碾壓試驗(yàn)工藝流程

碾壓試驗(yàn)程序如下：①平整、壓實(shí)場(chǎng)地→②檢測(cè)碾壓機(jī)具工作特性→③土料攤鋪→④旋耕機(jī)攪拌→⑤攤鋪→⑥碾壓→⑦環(huán)刀取樣→⑧室內(nèi)試驗(yàn)→⑨試驗(yàn)結(jié)果整理→⑩碾壓參數(shù)確定。

3.4 碾壓試驗(yàn)結(jié)果及分析

不同水泥摻量下改良黏土碾壓試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同水泥摻量下壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果匯總

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果匯總，將不同水泥摻量下壓實(shí)度隨碾壓遍數(shù)的關(guān)系表示如圖1 所示?？傮w觀之，在不同水泥摻量下，土體壓實(shí)度隨碾壓遍數(shù)的增加而增加，且當(dāng)碾壓遍數(shù)達(dá)到5 遍時(shí)，所有水泥摻量下改良土的壓實(shí)度均大于93%，滿足設(shè)計(jì)壓實(shí)度要求；水泥摻量越大，相同碾壓遍數(shù)下土體的壓實(shí)度越高。見圖1。

圖1 不同水泥摻量下壓實(shí)度隨碾壓遍數(shù)變化曲線

同時(shí)，碾壓遍數(shù)由4 遍增加到5 遍時(shí)壓實(shí)度增長(zhǎng)率顯著大于碾壓遍數(shù)由3 遍增加至4 遍時(shí)土體壓實(shí)度增長(zhǎng)率：當(dāng)水泥摻量分別為5%、7%和9%時(shí)，碾壓遍數(shù)由3 遍增長(zhǎng)至4 遍時(shí)，壓實(shí)度分別提高了0.65%、0.65%、0.74%；而碾壓遍數(shù)由4 遍增加至5 遍時(shí)，壓實(shí)度分別提高了2.49%、2.47%、2.10%。說明碾壓遍數(shù)由4 遍增加至5 遍時(shí)，對(duì)土體起到的振動(dòng)密實(shí)作用更明顯。

為進(jìn)一步研究水泥摻量對(duì)改良土壓實(shí)效果的影響，取碾壓遍數(shù)為3 遍，作出壓實(shí)度隨水泥摻量的變化曲線如圖2 所示。由圖2 可知，在相同碾壓遍數(shù)（3 遍）下，水泥摻量越大的改良土可達(dá)到的壓實(shí)度越大。同時(shí)，當(dāng)水泥摻量由0 增加至5%時(shí)，土體壓實(shí)度由85.9%增加至91.8%，相對(duì)增長(zhǎng)量為5.9%；當(dāng)水泥摻量繼續(xù)增加至7%和9%時(shí)，土體壓實(shí)度相對(duì)增長(zhǎng)量分別為1.2%和1.4%，說明隨著水泥摻量的增加，改良土體壓實(shí)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)相對(duì)減緩。

圖2 壓實(shí)度隨水泥摻量變化曲線

含水率對(duì)于低液限粉質(zhì)黏土的力學(xué)性質(zhì)有著較大的影響，因此，在水泥摻量為5%的試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，探究不同含水率對(duì)于水泥改良土碾壓特性的影響。對(duì)5%水泥摻量的改良土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，可得其最優(yōu)含水率約為16.7%。由于現(xiàn)場(chǎng)土料天然含水率較高，則設(shè)置19.3%、24.9%、33.7%三組含水率進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 壓實(shí)度隨含水率變化曲線

由圖3 可見，在相同碾壓遍數(shù)下，土體壓實(shí)度隨含水率的增加而減小。這是因?yàn)樵囼?yàn)所取三組含水率均高于土體最優(yōu)含水率，土中大部分空隙被水占據(jù)，在碾壓壓實(shí)作用下，土中水和氣無(wú)法完全排出，孔隙體積難以縮小，土體無(wú)法進(jìn)一步被擠密壓實(shí)[5]。因此，在實(shí)際施工過程中，若土體天然含水率過高，應(yīng)進(jìn)行攤鋪晾曬，使其含水率接近最優(yōu)含水率。

根據(jù)以上分析可知，當(dāng)水泥摻量為5%時(shí)，碾壓5遍可達(dá)93%的設(shè)計(jì)壓實(shí)度；當(dāng)水泥摻量為7%時(shí)，碾壓4 遍可到設(shè)計(jì)壓實(shí)度；而水泥摻量為9%時(shí)，碾壓3 遍即可滿足壓實(shí)度設(shè)計(jì)要求。綜合考慮水泥土的碾壓特性及經(jīng)濟(jì)效益，共雙茶垸分洪閘工程連接堤填筑時(shí)可考慮采用5%的水泥摻量對(duì)現(xiàn)場(chǎng)低液限粉質(zhì)黏土進(jìn)行改良，碾壓遍數(shù)為5 遍。同時(shí)，為了確保填筑質(zhì)量，應(yīng)控制土料含水率接近最優(yōu)含水率。

4 結(jié) 論

1）對(duì)不同水泥摻量（5%、7%、9%）下的改良低液限粉質(zhì)黏土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，試驗(yàn)顯示：改良黏土的壓實(shí)度隨水泥摻量和碾壓遍數(shù)的增加而增加，隨含水率的增加而減小。

2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)結(jié)果，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)低液限粉質(zhì)黏土摻入5%的水泥進(jìn)行改良用于連接堤填筑，碾壓遍數(shù)可確定為5 遍，同時(shí)應(yīng)控制土料含水率盡量接近最優(yōu)含水率。

3）通過水泥土改良的方式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開挖低液限粉質(zhì)黏土進(jìn)行處理，可最大限度地利用開挖土料，減少棄渣量，大大節(jié)約了施工成本，同時(shí)能為洞庭湖區(qū)類似工程建設(shè)提供參考。